Неклеточные формы жизни – вирусы. Вирус иммунодефицита человека

Вирусы (от лат. вирус – яд) представляют собой неклеточные формы жизни, так как не имеют своего белоксинтезирующего аппарата (рибосом и тРНК), благодаря чему они являются внутриклеточными паразитами (от греч. паразитос – нахлебник). Еще один признак их “неклеточности” – отсутствие собственных мембранных структур как обязательных компонентов строения. К формам жизни их позволяют отнести наличие собственного генетического материала и способность размножаться.

Вирусы были открыты отечественным ботаником Д. И. Ивановским, который в 1892 г. обнаружил, что возбудитель болезни листьев растений – табачной мозаики – проходит через фильтры, задерживающие бактерий. Его исследования были подтверждены голландским ботаником М. Бейеринком, который в 1899 г. предложил называть такие фильтрующиеся инфекционные агенты вирусами.

Первый вирус (вирус табачной мозаики) был получен в виде кристаллов американским биохимиком У. Стенли, что стало частью его дальнейших работ, отмеченных Нобелевской премией 1946 г. Строение этого вируса было определено еще одним нобелевским лауреатом, А. Клугом в 1940 г.

Всех вирусов объединяют в империю Неклеточные с единственным царством Вирусы. Это царство подразделяют на два подцарства: Рибовирусы (с генетическим материалом в виде РНК) и Дезоксирибовирусы (генетический материал – ДНК). Рибовирусы паразитируют в клетках животных и растений, а дезоксирибовирусы способны поражать и бактерий, называясь в этом случае бактериофагами.

Генетический материал вирусов может быть представлен как одноцепочечной, так и двухцепочечной РНК или ДНК, кольцевой молекулой ДНК или РНК, а также одной или несколькими разными линейными молекулами. Число генов в геноме разных вирусов может быть различным. В частности, у вируса табачной мозаики оно составляет 3, а у вируса оспы превышает 240. Вирусы имеют внеклеточную стадию существования – вирусную частицу, или вирион, размеры которого составляют от 0,015 мкм до 0,4 мкм. Форма вирионов постоянна для каждого вида вирусов и может быть сферической, палочковидной, нитевидной или булавовидной.

Универсальным элементом строения вирионов является нуклеопротеид – вирусные молекулы ДНК или РНК, связанные с белками, структура которых закодирована вирусными генами. Такое простое строение, в частности, имеет вирион вируса табачной мозаики, содержащий одноцепочечную молекулу РНК, упакованную 2130 молекулами одинаковых белков.

У многих вирусов имеется белковая оболочка, окружающая нуклеопротеид, а у некоторых вирусов – и дополнительная наружная мембранная оболочка с вирусными белками.

Жизненный цикл большинства вирусов начинается с прикрепления вириона к поверхностному аппарату клетки-мишени. Оно происходит путем взаимодействия наружных вирусных белков с определенными поверхностными клеточными молекулами. Благодаря этому реализуется вирусная специфичность – вирусы поражают клетки организмов определенных видов и определенные клетки многоклеточных организмов.

После прикрепления происходит проникновение вируса в клетку, которое может осуществляться разными способами в зависимости от строения клетки-мишени. Бактериофаги обладают специальным механизмом “впрыскивания” своей ДНК, оставляя вирионные оболочки снаружи. Вирусы животных подвергаются с оболочками эндоцитозу, а вирусы растений попадают в клетки через повреждения клеточной стенки или вводятся зараженными членистоногими, питающимися растительными соками. В эукариотической клетке вирион освобождается от оболочек и белков нуклеопротеида с помощью ферментов гиалоплазмы или лизосом.

Важнейшей стадией вирусного цикла является размножение путем репликации, особенности которого зависят от строения генетического материала вируса и его положения в клетке-мишени. При размножении происходит не только репликация генетического материала, но и транскипция, после которой осуществляется трансляция – синтез вирусных белков с помощью клеточных рибосом и тРНК.

Дезоксирибовирусы, размножающиеся в ядре или в бактериях, используют для своей репликации клеточные ДНК-полимеразы, а для ранскрипции – клеточные РНК-полимеразы. Размножающиеся в цитоплазме эукариотических клеток всегда имеют в вирионе собсвенную РНК-полимеразу, синтезирующую вирусные иРНК для вирусных белков, среди которых находится и ДНК-полимераза.

Рибовирусы в большинстве своем размножаются в цитоплазме, для чего имеют в вирионе собственную РНК-зависимую РНК-полимеразу. Этот фермент обеспечивает на только репликацию вирусной РНК, но и синтез своих иРНК. Особая группа рибовирусов животных, называемая ретровирусами (от лат. ретро – назад), содержит в своем составе уникальный фермент – РНК-зависимую ДНК-полимеразу, или ревертазу. Ревертаза обеспечивает синтез двухцепочечной ДНК на матрице вирусной РНК, после чего вирусная ДНК встраивается в ДНК хромосом. Здесь (в ядре) клеточные РНК-полимеразы синтезируют как полноразмерные молекулы РНК вируса (его генетического материала), так и вирусные иРНК. За открытие ревертазы американские вирусологи Д. Балтимор и Х. Темин удостоены Нобелевской премии 1975 г. После стадии размножения происходит формирование вирионов, которое происходит по принципу самосборки и может протекать в гиалоплазме, комплексе Гольджи или ядре (в зависимости от вида вируса). Образовавшиеся вирионы осуществляют выход из клетки, после чего начинается новый вирусный цикл развития.

Существуют вирусы, которые оказываются вне клетки в результате ее лизиса (разрушения), что характерно для бактериофагов. Многие вирусы животных покидают клетку путем экзоцитоза через комплекс Гольджи или отпочковываясь от поверхностного аппарата клетки. В последнем случае они окружаются участком плазмалеммы, в который уже встроены определенные вирусные белки, и тем самым “приобретают” наружную мембранную оболочку. При таких способах выхода вирионов клетка не погибает.

Некоторые вирусы развиваются со сменой хозяев, один из которых является его переносчиком. Такими вирусами, поражающими человека, являются вирусы желтой лихорадки (переносчики – немалярийные комары) и весеннее-летнего энцефалита (переносчики – таежный и собачий клещи).

Вирусы являются возбудителями заболеваний. Среди вирусов, поражающих человека, наиболее известны дезоксирибовирусы ветряной и натуральной осп, опоясывающего лишая (герпеса), и гепатита В; рибовирусы гриппа, свинки, кори, бешенства, клещевого энцефалита, краснухи, ящура, полиомиелита, гепатитов A, C, D и E. Наиболее тяжелые последствия имеют вирусные инфекции, с которыми население сталкивается впервые. В частности, от вируса оспы, попавшего в Европу с Востока, только в одном 1707 году погибло более двух третей населения Исландии. Оказавшись в Америке, этот вирус приводил к исчезновению целых племен индейцев.

Аналогичная ситуация была характерна и для вируса гриппа, новый вариант которого появился в Испании в 1918 г. и, распространившись по всему миру (1,5 млрд. зараженных), погубил 20 млн. человеческих жизней – больше, чем Первая мировая война. В 1957 г. около 1 млрд. людей заболели азиатским вариантом вируса гриппа, что привело к гибели более 1 млн. человек.

Определенные вирусы, встраиваясь в ДНК клетки или выходя из ДНК, вызывают наследственные нарушения, которые передаются дочерним клеткам при делении. Часть таких изменений приводит к непрерывному делению клетки с формированием опухоли, поэтому подобные вирусы называют онковирусами (от греч. онкос – опухоль) или онкогенными вирусами. К онковирусам относится вирус иммунодефицита человека.

Вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) имеет вирион сферической формы диаметром 100-120 нм, состоящий из нуклеопротеида, двух белковых оболочек и наружной мембранной оболочки. В нуклеопротеиде представлены две одинаковых молекулы одноцепочечной линейной РНК в комплексе с белками, среди которых – две молекулы ревертазы. Жизненный цикл ВИЧ типичен для ретровирусов с постоянным образованием вирионов и отпочковыванием их в огромном количестве от пораженных клеток.

Геном ВИЧ содержит информацию о девяти разных вирусных белках, включая ревертазу и регуляторы транскрипции. В мембранной оболочке имеется большое количество молекул белка, с которыми взаимодействуют рецепторы некоторых лимфоцитов (Т4-лимфоцита), лейкоцитов (макрофагов), клеток кожи и головного мозга. Поражая лимфоциты и некоторые лейкоциты, ВИЧ вызывает системный дефект иммунной системы – синдром приобретенного иммунодефицита (СПИД). Причиной гибели инфицированных людей является не сам ВИЧ, а разнообразные инфекции, которые приобретают тяжелейшую форму на фоне СПИДа, а также сопутствующие опухоли кожи и поражения головного мозга.

ВИЧ был открыт относительно недавно на фоне эпидемии смертей 1981 г. среди молодежи в штатах Нью-Йорк и Калифорния (США). Причинами гибели были тяжелейшие формы воспаления легких, злокачественные ангины или опухоли кожи, поэтому заболевание стали называть синдромом приобретенного иммунодефицита. К середине 1985 г. заболевание было зарегистрировано уже в 40 странах мира. Все первые больные оказались мужчинами-гомосексуалистами, однако уже в 1982 г. СПИД был обнаружен у больного гемофилией, которому делали переливание крови, и у людей, которым вводили вакцину из человеческой плазмы крови. В 1983 г. французские вирусологи во главе с Л. Монтенье подтвердили предположение Р. Гало (США) о вирусной природе СПИДа, после чего в 1986 г. появились официальные названия “ВИЧ” и “ВИЧ-инфекция”. Сходные с ВИЧ вирусы обнаружены у обезьян, поэтому наиболее вероятной гипотезой его появления считаются наследственные изменения одного из таких вирусов.

Источником заражения СПИДом является ВИЧ-инфицированный человек. Для заражения необходимо попадание вируса в кровь, что возможно при половых контактах (через микротравмы слизистых оболочек), уколах, переливании крови и хирургических операциях. ВИЧ может передаваться от зараженной матери плоду, обнаруживается в грудном молоке и семенной жидкости.

По этим причинам к контингенту повышенного риска в отношении СПИДа относят больных гемофилией, наркоманов, вводящих наркотики внутривенно, мужчин-гомосексуалистов, проституток, а также детей женщин из перечисленных выше групп. Вероятность заражения ВИЧ при нормальных половых контактах с носителем вируса составляет 30-35%. Средний срок жизни заразившихся СПИДом – 12 лет, поскольку эффективного метода лечения этого заболевания пока нет. Диагноз СПИДа ставят при наличии в крови специфических антител к белкам ВИЧ, однако такой диагноз должен быть подтвержден обнаружением специальными методами самого вируса.

В России первый случай СПИДа зарегистрирован в 1982 г. у вернувшегося из зарубежной командировки (Танзания) мужчины, имевшего там гомосексуальные контакты. До 1996 г. ВИЧ медленно распространялся половым путем, а затем произошла вспышка его распространения за счет наркоманов, пользующихся общими шприцами при введении наркотика. Некоторые люди характеризуются пониженной чувствительностью к заражению ВИЧ. Они имеют наследственно измененные рецепторы, которые вирус использует для проникновения в лимфоциты и макрофаги.

Не менее опасным для человека является вирус гепатита В (ВГВ), открытый в 1970 г. и представляющий дезоксирибовирус. Как и ВИЧ, он вызывает иммунодефицит, но размножается в клетках печени. Источники и способы заражения ВГВ такие же, как и ВИЧ, поэтому у больных СПИДом нередко обнаруживают эту форму гепатита. Носителями ВГВ являются около 5% населения Земли. Данный вирус – основная причина цирроза и опухолей печени, а хроническая форма гепатита В занимает девятое место в ряду причин смерти, заметно опережая в этом отношении СПИД.